CN107900365B - 一种注射成型WNiFe材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种注射成型WNiFe材料及其制备方法。将Fe和Ni熔炼得FeNi合金液；将FeNi合金液雾化后喷粉，得到FeNi预合金粉末；将FeNi预合金粉末与W粉混合后，加入粘接剂溶液混炼造粒，得到WNiFe材料；将WNiFe材料注射成型后采用氮气进行真空无碳脱脂后烧结。该方法操作简单，易于实现。使用该注射成型WNiFe材料制造出的具有复杂形状的高比重合金产品的抗拉强度σb≥500MPa，表面粗糙度Ra≤5μm，尺寸精度达到±0.5％，延伸率η≥10％，硬度HRC≥20，致密度K≥97％。

Description

一种注射成型WNiFe材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种注射成型WNiFe材料及其制备方法。

背景技术

高比重合金具有密度大、强度和硬度高、导热可焊性好、抗氧化性能好、热膨胀系数小等优点，在航空航天工业、国防工业、民用工业中都已得到非常广泛的应用，可用作陀螺转子及飞机上的配重和减震材料，在军工领域用作穿甲弹和子母弹弹体材料等，在民用中用作高尔夫球头配重块等。

传统的粉末冶金模压-烧结工艺是目前高比重合金制件生产的主要方法，首先将钨、钼、镍、铁、铜金属粉末进行混合；再将混合料装入压制模具中，在压力机上模压成形，获得压坯；压坯经高温烧结，得到高比重合金制件。但采用该工艺生产高比重合金制件时，由于W粉比重与其他成分存在之间较大的差别，常用的机械混合方法难以将各元素粉末混合均匀，易造成合金成分的不均匀。此外，液相烧结温度高，容易造成制件变形与钨晶粒粗化，这对产品的尺寸精度控制和合金力学性能非常不利。利用传统模压成形工艺加工的高比重合金，还需要经过锻造、轧制、挤压以及热等静压等工艺，来细化晶粒，提高合金材料强度和保证一定韧性，工艺成本较高。目前，采用传统的模压成形工艺制备的高比重合金，其性能较低，已难以满足目前的工程应用要求。

目前采用的传统模压成形工艺只能满足简单形状零部件(比如块状，棒状等)的生产要求，难以直接生产形状复杂、精度要求高的产品，如需要生产形状复杂的零部件，还需要进一步对合金坯料进行机加工，增加了制造成本并造成原材料的浪费。目前，市场供应的粉末冶金发制备的高比重合金棒材、块材等价格在300元/kg-800元/kg之间，由于机加工和材料浪费导致的零部件成本增加能达到30％以上。所以发展一种制备复杂形状高比重合金制件生产的新工艺，对降低高比重合金制品的成本、拓展其工程应用以及节能减排等方面都具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种注射成型WNiFe材料及其制备方法，能够用于制备性能良好的具有复杂形状的高比重合金产品。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

一种注射成型WNiFe材料料的制备方法，包括：

将Fe和Ni熔炼得FeNi合金液；

将FeNi合金液雾化后喷粉，得到FeNi预合金粉末；

将FeNi预合金粉末与W粉混合后，加入粘接剂溶液混炼造粒，得到WNiFe材料；其中，以质量百分比计，WNiFe材料中的W含量85-95％，FeNi合金含量5-15％。将WNiFe材料注射成型后采用氮气进行真空无碳脱脂后烧结。

在本发明较佳的实施例中，

将FeNi合金液雾化，是将FeNi合金液在真空雾化室进行雾化成粉末熔滴。

在本发明较佳的实施例中，

将粉末熔滴通过气喷水冷或者水喷水冷后形成凝固的粉末。

在本发明较佳的实施例中，

粘接剂溶液中的粘接剂包括石蜡、氨基磺酸、乙烯-乙酸乙烯共聚物以及橡胶；溶剂为水、汽油、酒精中的任意一种。

在本发明较佳的实施例中，

加入的粘接剂的含量为FeNi预合金粉末与W粉总量的0.6-1.5wt％。

在本发明较佳的实施例中，

粘接剂与溶剂的质量比为1:3-50。

在本发明较佳的实施例中，

将FeNi预合金粉末与W粉混合时还进行球磨，球磨时间10-24h。

在本发明较佳的实施例中，

烧结是在1200-1300℃进行烧结。

在本发明较佳的实施例中，

加入粘接剂溶液在密炼机中混炼造粒，混炼温度150-160℃，混炼时间2-4小时。

一种注射成型WNiFe材料，采用上述的注射成型WNiFe材料的制备方法制成。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种注射成型WNiFe材料的制备方法，包括：将Fe和Ni熔炼得FeNi合金液；将FeNi合金液雾化后喷粉，得到FeNi预合金粉末；将FeNi预合金粉末与W粉混合后，加入粘接剂溶液混炼造粒，得到WNiFe材料；将WNiFe材料注射成型后采用氮气进行真空无碳脱脂后烧结。该方法操作简单，易于实现。

本发明提供的一种注射成型WNiFe材料，采用上述的注射成型WNiFe材料的制备方法制成。该材料中W金属元素扩散均匀，且W晶粒没有长大，材料力学性能良好。

使用该注射成型WNiFe材料制造出的具有复杂形状的高比重合金产品的抗拉强度σb≥500MPa，表面粗糙度Ra≤5μm，尺寸精度达到±0.5％，延伸率η≥10％，硬度HRC≥20，致密度K≥97％。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面对本发明实施例的注射成型WNiFe材料及其制备方法进行具体说明。

本发明实施例提供的一种注射成型WNiFe材料的制备方法，包括：

S1、将Fe和Ni熔炼得FeNi合金液。

根据预先设定的Fe和Ni的配比，将Fe和Ni在真空炉中熔炼，制得FeNi合金液。

具体地，将上述的Fe和Ni根据实际的需要按照预设的配比，准确称量后，在真空炉中烧结熔炼。

进一步地，具体的Fe和Ni的配比可以根据实际需要选择添加少量Co等成分。

进一步地，将Fe和Ni熔炼是在1000-1200℃进行熔炼。

采用真空炉对上述的Fe和Ni进行熔炼时，通过控制烧结温度，能够进一步地增强后续制得的FeNi预合金化粉体的综合性能，而且有利于后续W粉与该FeNi预合金化粉体的混合的均匀性。

S2、将FeNi合金液雾化后喷粉，得到FeNi预合金粉末。

预合金粉末的性能具有很多优点。预合金粉末比机械混合粉末元素分布均匀，预合金粉末能够使胎体组织均匀、性能趋于一致，从而能够极大地避免成分偏析，不均匀的问题。

通过将Fe和Ni先制备成FeNi预合金粉末，再与W粉混合制备WNiFe材料，解决了现有技术中由于W粉比重与其他成分存在之间较大的差别，难以与其他各元素粉末混合均匀，易造成合金成分的不均匀的问题。

进一步地，将制备得到的FeNi预合金粉末用于与W粉末混合时，FeNi相能够在合金中起到粘结作用。进一步地避免了体系中W金属元素扩散不均匀的问题。

进一步地，由于预合金粉合金化充分,能够使胎体具有高硬度和高冲击强度,可大大提高烧结制品的抗压、抗弯强度。

具体地，使用该注射成型WNiFe材料制造出的具有复杂形状的高比重合金产品的性能良好。

通过将上述的FeNi合金液在真空雾化室进行雾化喷粉，从而能够得到所需粒度的胎体粉末。

进一步地，进行雾化喷粉是将粉末熔滴通过气喷水冷或者水喷水冷后形成凝固的粉末。

进一步地，采用气喷水冷的方法进行雾化时，可以采用空气、氮气或氩气等气体。优选地，采用氮气进行雾化。

采用气喷水冷的方法进行雾化，能够提高冷却速度，进一步地增强粉末的晶粒细化，提高粉末收得率，有助于降低生产成本，具有良好的经济效果。

进一步地，水喷水冷是将金属离子在水中溶解,合金中的不同元素金属按正确的比例混合于溶液中形成金属盐,然后沉淀经还原而获得很细的金属合金粉末。预合金粉末由于每个粉末颗粒都包含组成合金的各种金属元素,因此预合金粉成分均匀性相当好。由于其共熔点比合金中单元素熔点要低得多,烧结过程中,只要温度达到预合金粉末的液相线以上一点时,整个粘结金属成分的粉末熔化,有助于降低预合金粉末烧结温度低。

采用上述的水喷水冷的方式，进一步地降低了烧结温度，因此能够进一步地降低合金冶金中出现的缺陷，也能够避免后续加工中W晶粒长大，进而有助于提高整个WNiFe材料的力学性能。

S3、将FeNi预合金粉末与W粉混合后，加入粘接剂溶液混炼造粒，得到WNiFe材料。其中，以质量百分比计，WNiFe材料中的W含量85-95％，FeNi合金含量5-15％。

进一步地，将FeNi预合金粉末与W粉混合时还进行球磨，球磨时间10-24h。

进一步地，球磨时可以选用本领域常见的球磨设备进行球磨。

进一步地，粘接剂溶液中的粘接剂包括石蜡、氨基磺酸、乙烯-乙酸乙烯共聚物以及橡胶；溶剂为水、汽油、酒精中的任意一种。具体地，将上述的粘接剂与上述的溶剂混合制得上述的粘接剂溶液。

进一步地，上述的粘接剂与溶剂的质量比为1:3-50。进一步优选地，上述的粘接剂与溶剂的质量比为1：15。

进一步地，加入的粘接剂的含量为FeNi预合金粉末与W粉总量的0.6-1.5wt％。

进一步地，将FeNi预合金粉末与W粉混合后，加入粘接剂溶液在密炼机中混炼造粒，通过观察喂料扭矩的变化来评估喂料混合的均匀性，得到最优共混工艺。然后采用挤压法，将制备的喂料挤出，得到均匀的喂料颗粒。

进一步地，加入粘接剂溶液在密炼机中混炼造粒，混炼温度150-160℃，混炼时间2-4小时。

应理解，上述的密炼机可以选择本领域常见的结构，上述密炼机的使用方法以及挤压法均可选择本领域常见的操作方法进行。

S4、将WNiFe材料注射成型后采用氮气进行真空无碳脱脂后烧结。

脱脂环节是注射成型制备材料的重要环节之一。大量的粘结剂的加入导致烧结时制品收缩大，其线收缩率一般达到13％-25％，导致制品变形控制和尺寸精度控制难度加大，特别是形状复杂的零部件。且烧结过程中还存在碳势控制问题，残留碳直接影响高比重合金产品的力学性能，必须加以去除。本实施例采用N₂保护进行脱脂，降低产品在高温环境与氧接触的机会，进而控制产品的碳含量。

需要说明的是，上述注射成型工艺可以选择本领域常见的操作步骤进行。

进一步地，烧结是在1200-1300℃进行烧结。

将烧结温度控制在1200-1300℃，能够降低合金冶金中出现的缺陷，也能够避免W晶粒长大，进而有助于提高整个WNiFe材料的力学性能。

本发明的一些实施方式还提供一种注射成型WNiFe材料。

该材料采用上述的注射成型WNiFe材料的制备方法制成。该材料中W金属元素扩散均匀，且W晶粒没有长大，材料力学性能良好。

使用该注射成型WNiFe材料制造出的具有复杂形状的高比重合金产品的抗拉强度σb≥500MPa，表面粗糙度Ra≤5μm，尺寸精度达到±0.5％，延伸率η≥10％，硬度HRC≥20，致密度K≥97％。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：

实施例1

本实施例提供的一种注射成型WNiFe材料的制备方法，通过以下步骤制得：

将Fe和Ni在真空炉中，在1000℃熔炼得FeNi合金液；

将FeNi合金液气采用氮气喷雾后，进行水冷得到FeNi预合金粉末；

将FeNi预合金粉末与W粉混合后，采用球磨机球磨10小时后，同时加入粘接剂溶液在密炼机中混炼造粒，混炼温度150℃，混炼时间2小时后挤压成颗粒。上述的颗粒状材料注射成型后，采用氮气进行真空脱脂后在1200℃进行烧结。

其中，粘接剂溶液中的粘接剂为石蜡、氨基磺酸、乙烯-乙酸乙烯共聚物以及橡胶的混合物；溶剂为酒精；粘接剂与酒精的质量比1:50。粘接剂溶液的加入量为FeNi预合金粉末与W粉总量的0.6wt％。

最终得到的WNiFe材料中W含量95％，FeNi合金含量5％。

实施例2

本实施例提供的一种注射成型WNiFe材料的制备方法，通过以下步骤制得：

将Fe和Ni在真空炉中，在1200℃熔炼得FeNi合金液；

将FeNi合金液气采用氩气喷雾后，进行水冷得到FeNi预合金粉末；

将FeNi预合金粉末与W粉混合后，采用球磨机球磨24小时后，同时加入粘接剂溶液在密炼机中混炼造粒，混炼温度160℃，混炼时间4小时后挤压成颗粒。上述的颗粒状材料注射成型后，采用氮气进行真空脱脂后在1300℃进行烧结。

其中，粘接剂溶液中的粘接剂为石蜡、氨基磺酸、乙烯-乙酸乙烯共聚物以及橡胶的混合物；溶剂为汽油；粘接剂与汽油的质量比3:50。粘接剂溶液的加入量为FeNi预合金粉末与W粉总量的1.5wt％。

最终得到的WNiFe材料中W含量85％，FeNi合金含量15％。

实施例3

本实施例提供的一种注射成型WNiFe材料的制备方法，通过以下步骤制得：

将Fe和Ni在真空炉中，在1100℃熔炼得FeNi合金液；

将FeNi合金液气采用氩气喷雾后，进行水冷得到FeNi预合金粉末；

将FeNi预合金粉末与W粉混合后，采用球磨机球磨20小时后，同时加入粘接剂溶液在密炼机中混炼造粒，混炼温度155℃，混炼时间3小时后挤压成颗粒。上述的颗粒状材料注射成型后，采用氮气进行真空脱脂后在1250℃进行烧结。

其中，粘接剂溶液中的粘接剂为石蜡、氨基磺酸、乙烯-乙酸乙烯共聚物以及橡胶的混合物；溶剂为水；粘接剂与水的质量比1:15。粘接剂溶液的加入量为FeNi预合金粉末与W粉总量的1.0wt％。

最终得到的WNiFe材料中W含量90％，FeNi合金含量10％。

实施例4

本实施例提供的一种注射成型WNiFe材料的制备方法，通过以下步骤制得：

将Fe和Ni在真空炉中，在1050℃熔炼得FeNi合金液；

将FeNi合金液气采用空气喷雾后，进行水冷得到FeNi预合金粉末；

将FeNi预合金粉末与W粉混合后，采用球磨机球磨15小时后，同时加入粘接剂溶液在密炼机中混炼造粒，混炼温度156℃，混炼时间3.5小时后挤压成颗粒。上述的颗粒状材料注射成型后，采用氮气进行真空脱脂后在1260℃进行烧结。

其中，粘接剂溶液中的粘接剂为石蜡、氨基磺酸、乙烯-乙酸乙烯共聚物以及橡胶的混合物；溶剂为水；粘接剂与水的质量比1:15。粘接剂溶液的加入量为FeNi预合金粉末与W粉总量的1.0wt％。

最终得到的WNiFe材料中W含量90％，FeNi合金含量10％。

实施例5

本实施例提供的一种注射成型WNiFe材料的制备方法，通过以下步骤制得：

将Fe和Ni在真空炉中，在1060℃熔炼得FeNi合金液；

将FeNi合金液气采用氮气喷雾后，进行水冷得到FeNi预合金粉末；

将FeNi预合金粉末与W粉混合后，采用球磨机球磨15小时后，同时加入粘接剂溶液在密炼机中混炼造粒，混炼温度157℃，混炼时间3.5小时后挤压成颗粒。上述的颗粒状材料注射成型后，采用氮气进行真空脱脂后在1270℃进行烧结。

其中，粘接剂溶液中的粘接剂为石蜡、氨基磺酸、乙烯-乙酸乙烯共聚物以及橡胶的混合物；溶剂为汽油；粘接剂与汽油的质量比1:15。粘接剂溶液的加入量为FeNi预合金粉末与W粉总量的1.0wt％。

最终得到的WNiFe材料中W含量90％，FeNi合金含量10％。

实验例：

将采用上述实施例1-5提供的注射成型WNiFe材料的制备方法制得的注射成型WNiFe材料用于制造具有复杂形状的高比重合金产品。

实验结果：

使用该注射成型WNiFe材料制造出的具有复杂形状的高比重合金产品的性能达到如下指标：

1.制备的粉末在30-55目范围内颗粒所占比重＞92％，粉体球形度≥90％；

2.制备的高比重合金的抗拉强度σb≥680MPa；延伸率η≥12％，硬度HRC≥33；

3.合金致密度K≥98.5％；

4.制件表面粗糙度Ra≤2μm；

5.尺寸精度达到±0.2％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种注射成型WNiFe材料的制备方法，其特征在于，包括：

将Fe和Ni熔炼得FeNi合金液；

将所述FeNi合金液雾化后喷粉，得到FeNi预合金粉末；

将所述FeNi预合金粉末与W粉混合后，加入粘接剂溶液混炼造粒，得到WNiFe材料；其中，以质量百分比计，所述WNiFe材料中的W含量85-95％，FeNi合金含量5-15％；所述粘接剂溶液中的粘接剂包括石蜡、氨基磺酸、乙烯-乙酸乙烯共聚物以及橡胶；溶剂为水、汽油、酒精中的任意一种；

将所述WNiFe材料注射成型后采用氮气进行真空无碳脱脂后烧结。

2.如权利要求1所述的注射成型WNiFe材料的制备方法，其特征在于，

将所述FeNi合金液雾化，是将所述FeNi合金液在真空雾化室进行雾化成粉末熔滴。

3.如权利要求2所述的注射成型WNiFe材料的制备方法，其特征在于，

将所述粉末熔滴通过气喷水冷或者水喷水冷后形成凝固的粉末。

4.如权利要求1所述的注射成型WNiFe材料的制备方法，其特征在于，

加入的所述粘接剂的含量为所述FeNi预合金粉末与W粉总量的0.6-1.5wt％。

5.如权利要求4所述的注射成型WNiFe材料的制备方法，其特征在于，

所述粘接剂与所述溶剂的质量比为1:3-50。

6.如权利要求1所述的注射成型WNiFe材料的制备方法，其特征在于，

将所述FeNi预合金粉末与W粉混合时还进行球磨，球磨时间10-24h。

7.如权利要求1所述的注射成型WNiFe材料的制备方法，其特征在于，

烧结是在1200-1300℃进行烧结。

8.如权利要求1所述的注射成型WNiFe材料的制备方法，其特征在于，

加入粘接剂溶液在密炼机中混炼造粒，混炼温度150-160℃，混炼时间2-4小时。

9.一种注射成型WNiFe材料，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的注射成型WNiFe材料的制备方法制成。